СПОСОБ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНО-ТОКОВОЙ ЗАЩИТЫ УЧАСТКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ ОТ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЙ Российский патент 2001 года по МПК H02H3/26 

Изобретение относится к области релейной защиты электроэнергетических объектов и может быть использовано для защиты от коротких замыканий (КЗ) участков электрических сетей постоянного и переменного тока.

Известен способ максимально-токовой защиты от КЗ [см., например, книгу: Федосеев А.М. Релейная защита электроэнергетических систем. Релейная защита сетей: Учебное пособие для вузов.- М.: Энергоатомиздат, 1984, с. 357], основанный на измерении и преобразовании во вторичный сигнал (ток или напряжение) с помощью датчика (например, трансформатора тока) электрического тока в каждом из защищаемых присоединений сети, сравнении выходного сигнала каждого датчика с заданным порогом срабатывания защиты и формировании сигнала на отключение соответствующего присоединения при превышении этого порога током в месте включения защиты. Причем сигналы на отключение формируются с временными задержками, обеспечивающими селективность отключения соответствующих присоединений участка сети.

Описанный способ токовой защиты обладает низким быстродействием, особенно в сильно разветвленных электрических сетях из-за накопления большой временной задержки на отключение по мере удаления от источника энергии.

Известен способ токовой защиты с направленной блокировкой по току питаемых присоединений [см. книгу: В.В. Михайлов, Е.В. Кириевский, Е.М. Ульяницкий и др. Микропроцессорные гибкие системы релейной защиты. - М.: Энергоатомиздат, 1988, с. 162-164, рис.5.5], в котором устранен недостаток максимально-токовой защиты (низкое быстродействие) при обеспечении абсолютной селективности. Суть способа заключается в том, что кроме сигналов на отключение присоединений защищаемого участка в процессе контроля формируют также сигналы блокировки отключения, в качестве которых используют сигналы от датчиков, установленных на питаемых присоединениях участка сети. Блокировка срабатывания защиты производится в пусковых режимах или режимах КЗ вне защищаемого участка. Благодаря выбору соответствующих порогов срабатывания пусковых релейных элементов на отключение участка и на блокировку этого отключения обеспечивается абсолютная селективность работы защиты. Однако описанный способ токовой защиты с блокировкой по току питаемых присоединений обладает невысокой чувствительностью в режимах с несколькими питающими присоединениями и замыканиях через электрическую дугу [см. там же, с. 167].

Известен способ дифференциально-токовой защиты участков электрической сети [см., например, статью: Ю.Г. Жуковский, Е.В. Кириевский, Г.П. Фоменко. Сравнительный анализ токовых защит сети постоянного тока // Тр. Новочеркасского полит. ин-та. Приборы и устройства автоматики. 1974. Том 292, С. 100-104] , который является наиболее близким по технической сущности (прототипом) к заявляемому техническому решению.

Этот способ основан на измерении и преобразовании с помощью датчиков во вторичные сигналы (токи или напряжения) электрических токов питающих и питаемых присоединений защищаемого участка, формировании информативного параметра, пропорционального геометрической сумме токов всех присоединений, и команды на отключение защищаемого участка при превышении информативным параметром заданного порога срабатывания защиты. Датчики тока имеют направленную характеристику и настроены таким образом, что их выходные токи (или напряжения) положительны при протекании первичных токов в сети в защищаемую зону и отрицательны при протекании первичных токов из защищаемой зоны. Таким образом, в нормальном эксплуатационном режиме сети полярность выходных сигналов датчиков питаемых присоединений отрицательная, датчиков питающих присоединений - положительная. Поэтому при геометрическом суммировании (со своими знаками) выходных сигналов всех датчиков в нормальном эксплуатационном режиме результирующий сигнал равен нулю, т.е. команда на срабатывание защиты не поступает. При возникновении КЗ в защищаемой зоне полярность выходных сигналов датчиков питаемых присоединений меняется на положительную, и в результате геометрического суммирования выходных сигналов всех датчиков формируется отличный от нуля результирующий сигнал на отключение защиты.

Недостатком способа-прототипа является ограниченная чувствительность защиты (особенно в режимах дуговых замыканий с высоким остаточным напряжением) из-за необходимости увеличения порога срабатывания для отстройки от больших токов небаланса при внешних КЗ. (Как известно, токи небаланса плеч дифференциально-токовой защиты обусловлены неидентичностью характеристик датчиков тока и проявляются в том, что при внешних КЗ, когда сигнал (информативный параметр) на входе реагирующего органа (порогового элемента) должен быть равным нулю, в действительности информативный параметр имеет ненулевое значение, что может вызвать ложное срабатывание защиты, если не поднять порог срабатывания реагирующего органа, а значит, затрубить защиту).

Другим недостатком способа-прототипа является невысокое быстродействие, особенно в режимах дуговых замыканий с высоким остаточным напряжением, что связано с медленным нарастанием аварийного тока, соизмеримого по величине с номинальным током (и как следствие медленным увеличением значения информативного параметра). В результате увеличивается интервал времени от момента возникновения КЗ до момента достижения информативным параметром заданного порога срабатывания защиты.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение чувствительности и быстродействия дифференциально-токовой защиты участка электрической сети от КЗ.

Решение задачи достигается тем, что в известном способе дифференциально-токовой защиты участка электрической сети от коротких замыканий, основанном на измерении и преобразовании с помощью датчиков тока во вторичные сигналы (токи или напряжения) электрических токов питающих и питаемых присоединений, формировании 1-го информативного параметра, пропорционального геометрической сумме токов всех присоединений, и команды на отключение защищаемого участка, дополнительно формируют 2-й информативный параметр, пропорциональный разности геометрических сумм токов питающих и питаемых присоединений, и 3-й информативный параметр как отношение 1-го информативного параметра к 2-му информативному параметру, а команду на отключение защищаемого участка формируют при превышении 3-м информативным параметром заданного порога срабатывания защиты.

Заявляемое техническое решение отличается от прототипа тем, что дополнительно формируют 2-й информативный параметр, пропорциональный разности геометрических сумм токов питающих и питаемых присоединений, и 3-й информативный параметр как отношение 1-го информативного параметра к 2-му информативному параметру, а команду на отключение защищаемого участка формируют при превышении 3-м информативным параметром заданного порога срабатывания защиты.

Сравнение заявляемого технического решения с прототипом позволяет установить соответствие его критерию "новизна".

Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях при изучении данной и смежной областей техники и, следовательно, обеспечивают заявляемому решению соответствие критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 приведена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ дифференциально-токовой защиты. Оно содержит датчики тока (D_s) 1 и 2, установленные по концам питающих присоединений 3 и 4, датчики тока (D_c) 5 и 6, установленные по концам питаемых присоединений 7 и 8, устройство геометрического суммирования сигналов датчиков всех присоединений (C) 9, устройство геометрического суммирования сигналов датчиков питающих присоединений (C) 10, устройство геометрического суммирования сигналов датчиков питаемых присоединений (C) 11, устройство вычитания (B) 12, устройство деления (D) 13 и реагирующий орган (P) 14 с выдержкой времени.

Выходы датчиков D_s 1 и 2, установленных по концам питающих присоединений 3 и 4 защищаемого участка сети, подключены к входам устройств суммирования (C) 9 и 10, выходы датчиков (D_c) 5 и 6, установленных по концам питаемых присоединений 7 и 8, подключены к входам устройств суммирования (C) 9 и 11. Выходы C 10 и C 11 подключены к входам C 9 и соответственно к входам "уменьшаемое" и "вычитаемое" устройства вычитания (B) 12. Выходы C 9 и (B) 12 подсоединены соответственно к входам "делимое" и "делитель" устройства деления (D) 13, к выходу которого подключен первый вход реагирующего органа (P) 14 с выдержкой времени. Второй вход P 14 служит для подачи напряжения уставки (порога) срабатывания U_ср, соответствующей заданному току срабатывания защиты.

На фиг. 2 приведены графики, иллюстрирующие характер нарастания 1-го информативного параметра при использовании способа прототипа (кривая 15) и 3-го информативного параметра при использовании заявляемого способа защиты (кривая 16) в случае возникновения КЗ в защищаемой зоне.

Реализация предлагаемого способа осуществляется следующим образом.

При возникновении в момент времени t₀ (см. фиг. 2) КЗ в защищаемой зоне участка сети, ограниченной n датчиками тока (в данном случае четырьмя датчиками 1,2,3,4), к месту КЗ начинают протекать аварийные токи по питающим присоединениям 3, 4 и питаемым присоединениям 7, 8. На выходах датчиков 1, 2 и 7, 8 присутствуют сигналы (в общем случае токи или напряжения в зависимости от исполнения датчиков, далее примем, что напряжения), пропорциональные соответствующим первичным токам. Причем благодаря направленным характеристикам датчиков выходные напряжения U_si (где i = 1, 2,...n-m) датчиков питающих присоединений (в данном примере согласно фиг. 1 датчиков 1 и 2) и выходные напряжения U_cj (где j = 1,2,...m) датчиков питаемых присоединений (в данном примере согласно фиг. 1 датчиков 5 и 6) имеют положительную полярность (так как первичные токи питающих и питаемых присоединений текут в защищаемую зону). В результате на выходе C 9 результирующее напряжение U_Σ в данном режиме равно сумме модулей выходных сигналов всех датчиков и имеет положительную полярность. На выходе C 10 результирующее напряжение U_C11 равно сумме выходных напряжений датчиков тока питающих присоединений и имеет в этом режиме положительную полярность. На выходе C 11 результирующее напряжение U_C10 равно сумме выходных напряжений датчиков тока питаемых присоединений и имеет в этом режиме также положительную полярность.

Устройством вычитания B 12 формируется разность напряжений U_- = U_C10 - U_C11
Устройством деления D 13 формируется напряжение U_Д13= U_Σ/U_, которое подается на информационный вход реагирующего органа P 14 и сравнивается в нем с заданной уставкой срабатывания U_ср. Эта уставка выбирается таким образом, что P14 в режиме КЗ в зоне срабатывает и формирует команду на отключение защищаемого участка сети (автоматические выключатели, установленные по концам всех присоединений участка сети).

Следует обратить особое внимание на то, что величина напряжения, поступающего на информационный вход P14, при реализации заявляемого способа значительно больше, чем при реализации способа-прототипа. В самом деле, в способе-прототипе это напряжение равно U_Σ, а в заявляемом способе, как показано выше, оно равно U_Σ/U_, где U_{_} в режиме КЗ в зоне в идеале представляет собой величину, равную нулю (если пренебречь напряжениями небаланса датчиков). Поэтому, как показано на фиг. 2, крутизна кривой напряжения на входе P14 при реализации заявляемого способа (кривая 16) значительно больше, чем при реализации способа-прототипа (кривая 15), а значит, это напряжение после возникновения КЗ в зоне достигает порога срабатывания U_ср реагирующего органа P14 раньше, чем при реализации способа-прототипа, т.е. t_ср.3. < t_ср.п, где t_ср.3, t_ср.п - значения времени срабатывания защиты соответственно для заявляемого способа и прототипа. Это означает, что быстродействие защиты, выполненной в соответствии с заявляемым способом, выше, чем при реализации способа-прототипа.

При возникновении за пределами защищаемого участка сети внешнего КЗ, на которое защита не должна реагировать, к месту КЗ по питающим присоединениям 3, 4 и питаемым присоединениям 7, 8 начинают протекать аварийные токи. На выходах датчиков 1, 2 и 7, 8 присутствуют напряжения, пропорциональные соответствующим первичным токам. Причем благодаря направленным характеристикам датчиков выходные напряжения U_si (где i = 1, 2,... n - m) датчиков питающих присоединений (датчиков 1 и 2 согласно фиг. 1) имеют положительную полярность (аварийные токи питающих присоединений текут в зону), а выходные напряжения U_cj (где j = 1, 2....m) датчиков питаемых присоединений (датчиков 5 и 6 согласно фиг. 1) - отрицательную полярность (аварийные токи питаемых присоединений текут из зоны). В результате на выходе C9 результирующее напряжение U_Σ в данном режиме равное геометрической сумме выходных сигналов всех датчиков в идеальном случае равно нулю (пренебрегая небалансом из-за неидентичности характеристик датчиков). Однако в реальных условиях это напряжение отличается от нуля, т.е. U_Σ = U_нб, где U_нб - напряжение небаланса.

На выходе C10 результирующее напряжение U_C10 равно сумме выходных напряжений датчиков тока питающих присоединений и имеет в этом режиме положительную полярность. На выходе C11 результирующее напряжение U_C11 равно сумме выходных напряжений датчиков тока питаемых присоединений и имеет в этом режиме отрицательную полярность. Устройством вычитания B 12 формируется разность напряжений U_{_} = U_C10 - U_C11, каждое из которых учитывается со своим знаком, т. е. результирующее напряжение U_{_} оказывается равным сумме модулей выходных напряжений всех датчиков и имеет положительную полярность.

Устройством деления D13 формируется напряжение U_Д13= U_Σ/U_= U_нб/U_,которое подается на информационный вход реагирующего органа P14 и сравнивается в нем с заданной уставкой срабатывания U_ср, которая выбирается такой, что величины напряжения U_Д13 оказывается недостаточно для срабатывания P14 (загрубление у ставки срабатывания).

Следует обратить внимание на то, что величина напряжения, поступающего на информационный вход P14 в режиме внешнего КЗ при реализации заявляемого способа, оказывается значительно меньше, чем при реализации способа-прототипа. В самом деле, в способе-прототипе это напряжение равно U_нб, а в заявляемом способе, как показано выше, оно равно U_нб/U_{_}, т.е. меньше в U_{_} раз, где U_{_} > 1. Это означает, что небаланс при реализации способа-прототипа уменьшается в U_{_} раз по сравнению со способом-прототипом. Учитывая, что уставка срабатывания реагирующего органа P14, а значит, и уставка срабатывания защиты в целом выбирается из условия отстройки от токов (напряжений) небаланса, становится ясным, что при реализации заявляемого способа, благодаря возможности уменьшить уставку срабатывания реагирующего органа P14, чувствительность защиты оказывается выше, чем при реализации способа-прототипа.

Таким образом, суть предлагаемого технического решения заключается в введении двух дополнительных по сравнению с прототипом процедур - во-первых, операции определения разности геометрических сумм выходных напряжений (токов) датчиков тока питающих и питаемых присоединений и, во-вторых, логометрической процедуры, заключающейся в определении сравниваемого затем с заданной уставкой срабатывания отношения суммы напряжений (токов) всех датчиков к упомянутой разности геометрических сумм выходных напряжений датчиков тока питающих и питаемых присоединений защищаемого участка сети.

Для оценки эффекта, достигаемого реализацией предлагаемого способа, рассмотрим конкретный пример.

Пример. Защищаемый участок электрической сети постоянного тока состоит из n = 5 присоединений, причем количество питаемых присоединений m = 3, а питающих n-m = 2. На всех присоединениях установлены идентичные датчики тока с равными относительными мультипликативными (γ) и аддитивными (γ₀) погрешностями, причем примем γ = γ₀= 0,1. Пусть кратность тока при внешнем КЗ равна a = 1,5 (режим дугового КЗ с высоким остаточным напряжением в месте повреждения). Принимаем кратность тока отсоса от точки КЗ при замыкании через электрическую дугу в защищаемой зоне (в относительных единицах по отношению к номинальному току) I = 1,0 по отношению к номинальному току. Рассчитаем уставку срабатывания реагирующего органа и чувствительность дифференциально-токовой защиты участка сети, выполненной: а) в соответствии с заявляемым способом; б) в соответствии со способом-прототипом.

Согласно [Ю. Г. Жуковский, Е.В. Кириевский, Г.П. Фоменко. Сравнительный анализ токовых защит сети постоянного тока // Тр. Новочеркасского полит. ин-та. Приборы и устройства автоматики. 1974. Том 292, с. 102] выражения для U_{_} и U_Σ можно записать в следующем виде:
U_= U_C10-U_C11= 2k(a•γ+n•γ₀), (1)
U_Σ= k•[2a+γ₀(n-2m)] (2)
где k - коэффициент пропорциональности, учитывающий номинальные токи присоединений и коэффициент передачи датчиков тока.

Тогда в соответствии с заявляемым способом и на основании (1) и (2) уставка срабатывания P 14 (в относительных единицах) должна выбираться из условия

Тогда ток срабатывания защиты (в относительных единицах по отношению к номинальному току) согласно [там же, с. 102-103] равен:

Проведем аналогичный расчет для дифференциально-токовой защиты, выполненной в соответствии со способом-прототипом.

Согласно [там же, с. 102, 103] для дифференциально-токовой защиты, выполненной в соответствии со способом-прототипом, уставка срабатывания реагирующего органа и ток срабатывания защиты (в относительных единицах) определяются как
U_cp≥ 2(a•γ+n•γ₀) = 2(1,5•0,1+5•0,1) = 1,3

Сравнивая результаты расчета для прототипа и заявляемого способа, видно, что при прочих равных условиях чувствительность дифференциально-токовой защиты, реализованной в соответствии с заявляемым способом, в данном примере в 4, 7 раза выше, чем чувствительность защиты, реализованной согласно способу-прототипу.

Таким образом, реализация дифференциально-токовой защиты в соответствии с предлагаемым способом обеспечивает по сравнению с прототипом повышение быстродействия и чувствительности.

Наиболее целесообразно применение заявляемого технического решения в автономных низковольтных электроэнергетических системах постоянного и переменного тока, где наиболее вероятны дуговые замыкания с высокими остаточными напряжениями в месте повреждения, выявление которых требует от устройств защиты повышенной чувствительности и быстродействия.

Изобретение может быть использовано для защиты от коротких замыканий участков электрических сетей постоянного и переменного тока. Техническим результатом является повышение чувствительности и быстродействия дифференциально-токовой защиты участка электрической сети от коротких замыканий. Предлагаемый способ дифференциально-токовой защиты участка электрической сети от коротких замыканий основан на измерении и преобразовании с помощью датчиков во вторичные сигналы электрических токов питающих и питаемых присоединений, формирования 1-го информативного параметра, пропорционального геометрической сумме токов всех присоединений и команды на отключение защищаемого участка. Дополнительно формируют 2-й информативный параметр, пропорциональный разности геометрических сумм токов питающих и питаемых присоединений, и 3-й информативный параметр как отношение 1-го информативного параметра к 2-му информативному параметру, а команду на отключение защищаемого участка формируют при превышении 3-м информативным параметром заданного порога срабатывания защиты. 2 ил.

Способ дифференциально-токовой защиты участка электрической сети от коротких замыканий, основанный на измерении и преобразовании с помощью датчиков тока во вторичные токи или напряжения электрических токов питающих и питаемых присоединений, формировании 1-го информативного параметра, пропорционального геометрической сумме токов всех присоединений, и команды на отключение защищаемого участка, отличающийся тем, что дополнительно формируют 2-й информативный параметр, пропорциональный разности геометрических сумм токов питающих и питаемых присоединений, и 3-й информативный параметр как отношение 1-го информативного параметра к 2-му информативному параметру, а команду на отключение защищаемого участка формируют при превышении 3-м информативным параметром заданного порога срабатывания защиты.